Air: tinjauan dari segi struktur

Air adalah bagian yang tak dapat dipisahkan dari makhluk hidup. Sekitar 70% komponen penyusun sel (bagian terkecil dari makhluk hidup) terdiri dari air. Air mempengaruhi proses-proses pembentukan struktur sel, berperan dalam proses replikasi, dan berbagai macam proses lainnya yang terjadi di dalam sel.

Air memiliki struktur kimia H2O, satu atom oksigen berikatan kovalen dengan dua atom hidrogen (Gambar 1A). Ikatan tersebut terjadi melalui penggunaan bersama elektron terluar atom oksigen dengan satu eletron pada tiap atom hidrogen (Gambar 1). Ikatan tersebut memiliki panjang ikatan sebesar 0,965 Å. Secara geometri, molekul air berbentuk tetrahedral seperti pada ikatan sp3 atom karbon, contohnya pada struktur CH4. Pada struktur air, dua atom hidrogen di kedua ujung tetrahedral membentuk huruf ‘V‘ bersudut 104,5˚ dengan atom oksigen di pusatnya dan dua pasang elektron pada oksigen lainnya berada pada dua ujung yang lainnya.

Pada molekul air, inti atom oksigen memiliki kecenderungan untuk menarik elektron lebih kuat dari pada inti atom hidrogen karena jumlah proton (partikel inti bermuatan positif) pada inti oksigen lebih banyak daripada pada inti hidrogen. Oleh karena itu, oksigen lebih bersifat elektronegatif dibandingkan hidrogen. Hal ini menyebabkan elektron bersama pada ikatan kovalen air lebih cenderung tertarik ke arah oksigen dari pada ke arah hidrogen. Akibatnya, molekul air memiliki momen dipol; masing-masing atom hidrogen memiliki kecenderungan bermuatan positif sedangkan atom oksigen bermuatan negatif.

Gambar 1. Struktur air (H2O). A. Struktur H2O dengan sudut H-O-H sebesar 104,5˚. B. Dua molekul air berikatan satu sama lain melalui ikatan hidrogen. C. Susunan molekul air pada balok es.

Karena adanya momen dipol tersebut, molekul air dapat saling tertarik satu sama lain membentuk ikatan hidrogen (Gambar 1B). Ikatan ini terjadi antara atom hidrogen (memiliki kecenderungan bermuatan positif) pada molekul air yang satu dengan atom oksigen (memiliki kecenderungan bermuatan negatif) pada molekul air yang lainnya. Ikatan ini relatif lemah dibandingkan ikatan kovalen. Energi yang dibutuhkan untuk memutuskan ikatan hidrogen (energi pemutusan ikatan) pada air dalam wujud cair adalah sebesar 23 kJ/mol, jauh lebih kecil dari energi yang diperlukan untuk memutuskan ikatan kovalen O-H pada molekul air (sebesar 470 kJ/mol). Walaupun demikian, karena ikatan hidrogen-lah air berbentuk cair pada suhu ruangan.

Karena geometri molekulnya yang seperti tetrahedral (Gambar 1A), tiap molekul air membentuk maksimal empat ikatan hidrogen dengan molekul air di sekitarnya. Pada suhu ruangan dan tekanan atmosfir, molekul air dalam bentuk cairan tidak tersusun dengan teratur dan bergerak terus menerus. Hal ini menyebabkan tiap molekul air hanya membentuk 3,4 ikatan hidrogen dengan molekul di sekitarnya. Sedangkan dalam keadaan padat, seperti pada es batu, tiap molekul air berada dalam keadaan diam sehingga dapat membentuk empat ikatan hidrogen secara utuh dengan molekul air di sekitarnya (Gambar 1C).

Adanya ikatan hidrogen menyebabkan es batu memiliki titik leleh yang relatif tinggi. Hal ini terjadi karena energi besar dibutuhkan untuk memutuskan ikatan-ikatan hidrogen sehingga dapat mendestabilisasi kisi kristal es. Oleh karena itu ketika terjadi pelelehan es ataupun penguapan air, kalor diambil dari sistem.
H2O (padat) → H2O (cair)    ΔH= +5,9 kJ/mol
H2O (cair) → H2O (gas)        ΔH= +44,0 kJ/mol
Ketika terjadi pelelehan es, entropi sistem meningkat karena molekul air tidak tersusun teratur seperti pada es sehingga air berubah menjadi berbentuk cairan. Begitupun pada proses penguapan, ikatan hidrogen antar molekul air terputus sehingga interaksi antara molekul air satu dengan molekul air lainnya sangat lemah dan susunannya menjadi lebih tidak beraturan.

 

Referensi:
Nelson, D.L, Cox, M.M. 2012. Lehninger, Principle of Biochemistry (6th ed.). Freeman, W.H. & Company.

Keni Vidilaseris

Keni Vidilaseris adalah seorang peneliti di Departemen Biokimia, Universitas Helsinki, Finlandia sejak 2014. Ia mendapatkan gelar doktor dalam bidang Biologi molekuler dari Universitas Vienna, Austria pada tahun 2014. Bidang yang ditekuninya adalah penentuan struktur protein dengan menggunakan metoda Sinar-X. Keni adalah founder Pustaka Sains.

One thought on “Air: tinjauan dari segi struktur

  • January 21, 2019 at 12:44 pm
    Permalink

    Selamat malam pak keni vidilaseris, saya mau bertanya apakah struktur molekul air pada air yang telah dipanaskan dan air yang tidak dipanaskan akan berbeda ?
    Dan jika berbeda hasil pemecahan struktur molekul tersebut seperti apa ?
    Terimakasih

    Reply

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

X

Pin It on Pinterest

X